Легких каскадов не бывает


Вступление

Эта статья рассказывает о работе, которой я занимался в течение последнего года. Работа, как мне в начале казалась, простая и легкая. Но… Не все так просто, как кажется на первый взгляд.

После того, как я сделал несколько обычных фреоновых установок (1, 2, 3), мне захотелось большего. Серьезных минусовых температур. Хотелось увидеть на термометре заветную цифру -100. Такие температуры (кроме жидкого азота) может обеспечить только каскадная машина. Вот о такой машине я и хочу рассказать.

Теория

Для начала вкратце вспомним принцип действия обычной Single Stage(SS) фреонки - холодильной машине на одном компрессоре.

Компрессор сжимает рабочее тело (фреон). Фреон при этом нагревается. В таком виде он поступает в конденсатор, где охлаждается до температур +30 - +45 градусов. В зависимости от температуры воздуха и величины конденсатора. Фреон при таком давлении и температуре начинает конденсироваться. Дальше, через дроссель (устройство с высоким гидравлическим сопротивлением) поступает в испаритель. В испарителе хладагент кипит (испаряется) при пониженном давлении и низкой температуре. Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого тела, вследствие чего его температура понижается (вплоть до температуры кипения хладагента). Пары по всасывающей трубке возвращаются в компрессор.

В таких машинах используется фреон с температурами кипения не ниже -60 градусов. Самый «злой» фреон - R410 с температурой кипения при атмосферном давлении -51,6. Для его конденсации при +35 понадобится давление 21,3 атм. Компрессор же может обеспечить разность давлений только 15-25 атм. Поэтому R410 практически предел для одноконтурной системы.

Но для серьезного оверклокинга хочется более низких температур. Такая же машина не может обеспечить температуру ниже -60 градусов Цельсия при требуемой хладопроизводительности. А хочется. Хочется большего. Как быть?

Если взять фреон с более низкой температурой кипения (ниже -60), например, фреон R23 с температурой кипения -82,1 при атмосферном давлении, то для того, чтобы сконденсировать его при тех же +35, нужно будет создать давление 60,3 атм. На такие давления обычный компрессор не рассчитан. Как уменьшить давление конденсации? Ответ прост - снизить температуру конденсации. Для этого придется охлаждать конденсатор первой фреонки еще одной фреонкой.





При температуре -25 для конденсации того же R23 потребуется создать давление порядка 12-ти атм. Что вполне реально. И на испарителе низкотемпературного контура мы получаем -82 градуса по Цельсию. Рассмотрим принцип работы такой машины.

Схема 1. Каскадная машина

Цитата из учебника: «Простейшая каскадная машина (схема 1) состоит из двух одноступенчатых машин, называемых верхней и нижней ветвью каскада. Нижняя ветвь каскада отнимает тепло у потребителя холода и работает на агенте высокого давления, а верхняя, работающая на агенте, применяемом для умеренных температур, охлаждает конденсатор нижней ветви»

А теперь подробнее. Верхняя (по температурной шкале) ступень каскада состоит из компрессора, конденсатора, ресивера, смотрового стекла, фильтра, ТРВ и испарителя-конденсатора. Испаритель верхней ступени и конденсатор нижней объединяют в одно устройство – теплообменник. Назначение компрессора и конденсатора мы рассматривать не будем. Оно изложено выше. Идем дальше – ресивер.

Ресивер - сосуд для хранения жидкого рабочего тела под высоким давлением перед подачей его к устройству понижения давления. Предназначен для хранения основного запаса рабочего тела (фреона) и излишков рабочего тела, выведенных из области конденсации, низкого давления и обратного потока в связи с изменением режима работы установки.

Заумно и непонятно? Можно проще. Ресивер необходим для стабильной работы ТРВ. Для того, чтобы ТРВ работал нормально, необходимо подавать ему на вход жидкий хладагент, не содержащий паров. А запас этого жидкого хладагента и обеспечивает ресивер.

Проконтролировать то, что на ТРВ поступает жидкость без пузырьков газа можно через смотровое стекло.





Так же смотровое стекло ставится на магистраль, возвращающую масло в компрессор после маслоотделителя нижнего контура. Подробнее об этом скажем в описании работы нижней ступени. В середине смотрового стекла имеется индикатор влажности. По его цвету можно судить о наличии (или отсутствии) влаги в системе. Особо доверять этим индикаторам не следует, всё, кроме "очень влажно", - они показывают условно.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) является наиболее распространенным устройством регулирования подачи хладагента в испарители холодильных установок. ТРВ представляет из себя устройство с высоким гидравлическим сопротивлением, способное менять свое проходное сечение и, таким образом, регулировать количество поступающего в систему хладагента и его давление.

В этом случае используется ТРВ с термобаллоном. Помимо пружины, в нем на иглу действует сила, создаваемая давлением паров в термобаллоне, которая зависит от температуры баллона. Разместив баллон на выходе испарителя можно получить постоянную степень перегрева рабочего тела. И у нас не будет ни перелива хладагента в испаритель, ни его недостатка при резком повышении нагрузки.

Теплообменник (ТО). Это устройство является испарителем верхней и конденсатором нижней ступени каскада одновременно.

Теперь рассмотрим нижнюю ступень каскада. Компрессор сжимает низкотемпературный фреон, который поступает в предохладитель. Предохладитель представляет из себя обычный конденсатор небольшой мощности. Служит для предварительного охлаждения паров фреона, перед поступлением их в теплообменник. Он снижает нагрузку на верхнюю ступень каскада. Охлажденные пары фреона поступают в маслоотделитель.

Маслоотделитель отделяет масло от фреона. Изначально масло находится в компрессоре. Во время работы компрессора масло разбрызгивается внутри него и смазывает детали компрессора. Естественно мелкие капли масла смешиваются с парами фреона и циркулируют по контуру системы. Но это допустимо при температурах до -60. При более низких температурах масло замерзает и нарушает работу дросселирующего элемента. Забивает его. Система перестает работать. Для предотвращения этого и служит маслоотделитель. Конструкция маслоотделителя будет рассмотрена ниже.

После маслоотделителя поток разделяется на две магистрали – линию возврата масла в компрессор и поток паров фреона, идущих в теплообменник.

На линию возврата масла ставится смотровое стекло и вентиль. С помощью вентиля масло, скопившееся в маслоотделителе, сливается обратно в компрессор. А контролировать этот процесс можно по смотровому стеклу. Для уменьшения скачков давления в системе в магистраль лучше впаять кусок капиллярной трубки.

А теперь про линию, идущую в теплообменник. В ТО пары конденсируются и поступают через фильтр на дроссель. Теплообменник можно изготовить самостоятельно, или приобрести готовый.

После ТО фреон поступает в дроссель, а затем в испаритель, где хладагент кипит (испаряется) при пониженном давлении. Необходимая для кипения теплота отнимается от охлаждаемого объекта. После чего пары фреона возвращаются в компрессор.





В качестве дросселя нижней ступени обычно используется CPEV. Это регулятор давления, он поддерживает заданный перепад давлений. Позволяет автоматически контролировать температуру испарения, при условии постоянной температуры конденсации. Должен работать по давлению всасывания, при понижении - открываться, при повышении - закрываться.

Вот так, все вроде просто и понятно. Так поначалу показалось и мне. Было даже удивительно, почему у российских оверклокеров каскадные машины можно пересчитать по пальцам одной руки. Очень захотелось самому построить подобную машину.

Так как русскоязычной информации на эту тему крайне мало, а зарубежные специалисты предпочитают на страницах форумов размещать в основном красивые и увесистые фотографии, я решил обратиться за помощью к нашему, российскому эксперту. Вы его прекрасно знаете по конференции. Он курирует все темы, связанные с системами охлаждения на фазовом переходе. Его ник - Boud. Этот замечательный человек откликнулся и оказал мне неоценимую помощь. И не только как консультант.

Но, хватит слов, пора переходить к делу.

Подбор комплектующих

  • Компрессоры

Для подбора компрессоров необходимо определиться с температурой и хладопроизводительностью. Система планировалась на температуры -90/-100 при 250Вт хладопроизводительности. По расчетам Boud вышло, что для этого требуются компрессоры с объемами цилиндров в 26 и 18 куб. см, соответственно, для верхнего и нижнего контуров. Фреоны планировались 22-ой на верхнюю ступень и 23-ий на нижнюю. Конечно, более оптимальным для верхней ступени был бы 404-й фреон. Но у меня его не было, а 22-го был почти полный баллон. К тому же появилась возможность недорого приобрести компрессор S26TN, рассчитанный на 22-ой фреон.

Вообще из практики каскадостроителей установлено, что мощности компрессора верхней ступени много никогда не бывает. Поэтому лучше было бы взять более мощный компрессор, с объемом цилиндра более 26-ти кубиков. Но с повышением мощности значительно возрастает цена. Еще очень хороший вариант – использование роторных компрессоров. Но там свои сложности.

Выход из ситуации предложил Boud. Он посоветовал поставить в нижнюю ступень расширительную емкость.

Схема 2.





Принцип работы такой. После запуска, когда верхняя ступень охладила ТО, закрывается вентиль 2 и 3. Вентиль 1 открыт. Запускаем нижнюю ступень. Компрессор включается. Начинаем понемногу заполнять нижний контур 23-м из расширительной емкости. Порциями. Открывая и закрывая вентиль 3. Для более плавного пуска в магистраль лучше впаять кусок капилляра, длиной 30-40 см. Чем длиннее капилляр, тем более плавно происходит пуск. В этом случае будет достаточно мощности относительно небольшого компрессора. Низкотемпературный фреон охлаждается постепенно. Поэтому и снижаются требования к мощности компрессора.

Система без расширительной емкости запускается рывком, а в этом случае, сколько мощности не давай - все равно не хватает.

Так же Boud разъяснил, что в этом случае в дальнейшем, возможно, надо будет расширить систему на третий контур, установив в нее второй 18-ти кубовый компрессор на 14-ом фреоне и получить -130/-135 на испарителе при соизмеримой мощности.

Расширительная емкость полезна еще и для снижения стояночного давления. При выключении каскада возможно значительное повышение давления в нижней ступени, т.к. когда машина не работает, температура всех ее частей выравнивается с температурой окружающей среды. А как мы знаем, при температуре +25 давление насыщенных паров фреона 23 составляет 47,3 атм. Что немало. Тот же сильфон, используемый для всасывающей трубки, сертифицирован на давление до 16-ти атм. Так что может произойти грандиозный «пиф-паф», чего естественно не хочется.

Для предотвращения этого и подключают к системе сосуд, называемый расширительной емкостью. Объем же рассчитывается так, чтобы при остановке машины весь агент высокого давления превратился в пар, давление которого при этом не превысило бы расчетного давления всей остальной аппаратуры.

Так же если понадобится что-то переделать в системе, низкотемпературный хладагент можно закачать в расширительную емкость, отсечь ее от остального контура вентилями. И спокойно работать. Большая часть дефицитного и дорогостоящего хладагента сохранится. Работает это так. Выключаем верхнюю ступень каскада. Низкотемпературный фреон больше не конденсируется, а только испаряется. Закрываем вентиль 1 (см.схему 2) и вентиль 3. А вентиль 2 открываем. Компрессор закачивает хладагент в емкость. Проконтролировав давления в контуре по манометрам, закрываем вентиль 2 и выключаем компрессор нижней ветви. Каскад выключен. Большая часть низкотемпературного фреона в закрытой емкости.

Громоздкость расширительной емкости окупается полностью гарантированной защитой от высокого давления. Под такую емкость, в моем случае, идеально подходит пустой баллон из-под 22-го или 404-го фреона. Желательно без обратного клапана. Обратный клапан стоит в кранике баллона. Он не даст закачивать в нее газ. Гарантия, что в баллон не попадет другой фреон. Баллон получается как бы одноразовый. Но китайские производители обычно «забывают» его ставить.

В этот баллон впаивается несколько штуцеров. Сколько? Зависит от схемы включения емкости.

Схема, изложенная выше, самая затратная – 3 вентиля. Минимальная комплектация - один вентиль + капилляр. Вентиль ставится перед теплообменником, капилляр - перед вентилем. Второй конец капилляра в расширительную емкость через штуцер. При закрытом вентиле на ТО и на емкости происходит заполнение емкости 23-м, при этом происходит откачка из испарителя и ТО жидкого 23-го. После откачки машина останавливается. После старта компрессора сперва открывается вентиль на ТО, потом - понемногу (можно еще капилляр поставить) стравливается 23-й из емкости в обратный поток.

Итак, исходя из вышеизложенного, были выбраны и приобретены два компрессора:

  • ACC (ELECTROLUХ) S26TN R-22 - 26 см куб.
  • Aspera T 2168 GK R-404 - 17,40 см куб.

Компрессоры

Компрессор для нижней ступени надо выбирать по совместимости масла с низкотемпературным фреоном. Самое универсальное масло: POE (Polyol Ester). Это все компрессоры, рассчитанные на фреон R-404.

  • Конденсатор

В рабочем режиме верхней ступени достаточно конденсатора мощностью 1 кВт. Но при старте потребуется отвести до двух киловатт. Я приобрел BC218W075(2168) производительностью Q – 1900 Bт.

Конденсатор

Предохладитель LU-VE 800 Вт. Мощность предохладителя я не выбирал. Такой у меня был в наличии.

Предохладитель

  • Ресивер

Так же для стабильной работы ТРВ в верхнюю ступень необходимо поставить ресивер. Ресивер, это сосуд для хранения жидкого рабочего тела под высоким давлением перед подачей его к устройству понижения давления.

Предназначен для хранения основного запаса рабочего тепла и излишков рабочего тепла, выведенных из области конденсации, низкого давления и обратного потока в связи с изменением режима работы установки.

Объем его должен быть больше объема жидкостной линии после ТРВ/капилляра. Для теплообменников это весьма важно, но, в этом случае, проще взять ресивер заведомо чуть большего объема и не заправлять его по максимуму. У меня стоит BC-RV- 1,2L.

Ресивер

  • Смотровое стекло

Смотровое стекло желательно поставить после ресивера. По нему удобно будет контролировать заправку и степень конденсации верхнего контура. Так же смотровое стекло ставится на магистраль, возвращающую масло в компрессор после маслоотделителя нижнего контура.

Смотровое стекло

  • Фильтры

Фильтр в верхнюю ступень вполне подойдет «карандашного» типа. Но, желательно, побольше. В нижнюю же лучше поставить более серьезный прибор. Нижняя ступень намного чувствительнее к наличию влаги в системе.

  • Манометры

Для контроля работы каскада желательно предусмотреть стационарно установленные манометры.

Манометры

Манометры бывают с резьбой SAE. То есть их можно сразу ставить в систему с помощью развальцовки. Первый на фото. А бывают с другой резьбой – NPT. Все следующие на фото. Для их установки в систему понадобятся переходники NPT1/8 - SAE ¼.

Переходник

Переходник накручивается на манометр с лентой ФУМ. Мотать надо немного, пару витков. Манометры можно подключить через капилляр. Капилляр даже улучшает показания манометров, т.к. они становятся более инерционными и на нагнетании, если манометр не глицериновый, пропадает дрожание.

  • ТРВ

Брать ТРВ лучше импортный. Два наилучших выбора - это приборы фирм Danfoss или ALCO. Первые ощутимо дороже вторых, но ярко выраженных преимуществ перед вторыми не имеют. Я выбрал ALCO.

ТРВ

Современные ТРВ состоят как бы из двух частей. Собственно самого ТРВ и клапанного узла. Другое название дюза, вставка. Эта вставка и определяет мощность ТРВ. Находится под нижней (см. фото) гайкой.

У меня стоит вставка 001. 3,2 кВт для R-22, при Ткип.-50С, Т конд.+400С. На первый взгляд может показаться, что она несколько великовата, но этот запас мощности очень пригодится при пуске каскада. К тому же более мощные ТРВ лучше работают при меньшей мощности, чем более слабые ТРВ, работающие на превышающей номинал мощности.

Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Страницы материала
Страница 1 из 3
Оценитe материал
рейтинг: 4.8 из 5
голосов: 136

Теги

Комментарии 143 Правила



Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают